Количество теплоты. Единицы количества теплоты

Внутренняя энергия тела — это не постоянная величина. Она может изменяться двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Работа может совершаться как над телом, так и самим телом. В первом случае это будет приводить к увеличению внутренней энергии, а во втором — к ее уменьшению. 

Без совершения работы работы изменить внутреннюю энергию тела можно путем теплопередачи. В этом случае переход энергии от одних тел к другим может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением. Здесь у нас появляется новое определение — количество теплоты. С помощью него мы сможем говорить о количестве этой переданной энергии.

Количество теплоты — это энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

{"questions":[{"content":"Количеством теплоты называют энергию, которую получает или теряет тело при[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["конвекции","теплопроводности","излучении","совершении работы над телом","совершении работы самим телом","кипении"],"answer":[0,1,2]}},"hints":[]}]}

Чтобы научиться в дальнейшем вычислять количество теплоты, нам нужно установить зависимость от других единиц. Этим мы с вами и займемся на данном уроке.

Зависимость количества теплоты от массы тела

Проведем опыт. У нас есть две одинаковых горелки и два одинаковых сосуда. В один сосуд мы нальем $1 \space кг$ воды, а в другой — $2 \space кг$ воды (рисунок 1). Начальная температуры воды в двух сосудах одинакова.

Начнем нагревать воду в сосудах. Через какое-то время (например, 3 минуты) мы увидим, что вода в сосудах нагрелась неодинаково. Измерим температуру термометром. Получим, что во втором сосуде вода нагрелась на меньшее количество градусов, чем в первом. При этом оба сосуда получали равное количество теплоты.

Значит, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от его массы.

Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты необходимо затратить, чтобы изменить его температуру на одно и то же число градусов.

Если мы рассмотрим обратный процесс — охлаждение, то увидим такую же зависимость. При остывании тело передает окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.

Зависимость количества теплоты от разности температур

Теперь возьмем два сосуда с водой одинаковой массы. Но в одном сосуде вода будет иметь комнатную температуру, а во втором — уже подогрета. Опустим термометры в оба сосуда и начнем нагревать воду до $100 \degree C$ (рисунок 2).

Через некоторое время, мы увидим, что вода во втором (заранее подогретом) сосуде достигла заданной температуры быстрее.

Значит, количество теплоты, переданное первому сосуду с водой, меньше, чем второму.

Те же наблюдения мы можем провести, нагревая воду в обычном чайнике. Чтобы просто подогреть воду, нам потребует меньше времени, чем для закипания воды в чайнике. В первом случае будет передано меньшее количество теплоты, чем во втором.

Итак, мы можем сказать, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того, на сколько градусов нагревается тело.

Т.е.,

Количество теплоты зависит от разности температур тела.

Зависимость количества теплоты от рода вещества

А что будет, если мы будем сравнивать количество теплоты, затраченное на нагревание разных веществ? До этого в наших опытах мы нагревали одинаковую воду в двух сосудах. Давайте проверим.

В первый сосуд нальем воду массой $1 \space кг$, а во второй — керосин массой $1 \space кг$. Горелки, на которых будем нагревать сосуды, одинаковые. Начальные температуры воды и керосина тоже одинаковы. Начнем нагревать эти сосуды (рисунок 3).

Через какое-то время (возьмем 3 минуты) зафиксируем температуры веществ в обоих сосудах. Окажется, что керосин будет иметь более высокую температуру, чем вода. При этом отметим, что обе жидкости получили равное количество теплоты.

Значит, для нагревания двух разных веществ до одной и той же температуры требуется разное количество теплоты. В нашем случае для нагрева керосина потребуется меньшее количество теплоты, чем для воды.

Следовательно,

Необходимое количество теплоты для нагревания тела зависит от того, из какого вещества оно состоит, т.е. от рода вещества.

{"questions":[{"content":"Необходимое количество теплоты для нагревания тела зависит от[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["рода вещества","разности температур","массы тела","вида теплопередачи","вида горелки"],"explanations":["","","","может измениться время нагрева до определенной температуры, но необходимое количество теплоты  при этом не изменится.","может измениться время нагрева до определенной температуры, но необходимое количество теплоты  при этом не изменится."],"answer":[0,1,2]}},"hints":[]}]}

Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела (или выделяемое при остывании) зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.

Единицы количества теплоты

Количество теплоты обозначается буквой $Q$. 

Т.к. количество теплоты — это очередной вид энергии, измеряется оно так же в джоулях ($Дж$), килоджоулях ($кДж$) и мегаджоулях ($МДж$):

В ходе истории количество теплоты начали измерять задолго до появления понятия энергии в физике. Поэтому существует еще одна единица измерения количества теплоты — калория (кал) или килокалория (ккал). Слово происходит от латинского калор — тепло, жар. 

Дадим определение этой единице.

Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания $1 \space г$ воды на $1 \degree C$.

$1 \space ккал = 1 000 \space кал$.

{"questions":[{"content":"Количество теплоты измеряется в[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["джоулях","ваттах","паскалях","калориях","ньютонах"],"answer":[0,3]}},"hints":[]}]}

$1 \space кал = 4.19 \space Дж \approx 4.2 \space Дж$,
$1 \space ккал = 4 190 \space Дж \approx 4 200 \space Дж \approx 4.2 \space кДж$.

$1 \space Дж = 0.239 \space кал \approx 0.24 \space кал$,
$1 \space Дж = 0.000239 \space ккал \approx 0.00024 \space ккал$.